Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 8 Đại học Đà Nẵng năm 2012

Transcription

1 NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC ĐIỀU KIỆN NUÔI TRỒNG ĐẾN SINH TRƯỞNG VÀ NĂNG SUẤT THU DẦU CỦA VI TẢO CHLORELLA VULGARIS NHẰM LÀM NGUYÊN LIỆU SẢN XUẤT BIODIESEL EFFECT OF CULTIVATION CONDITIONS ON THE GROWTH AND LIPID CONTENT OF THE MICROALGAE CHLORELLA VULGARIS FOR BIODIESEL PRODUCTION SVTH: Nguyễn Minh Tuấn a Lê Thị Bích Yến a Nguyễn Phước Hải b a Lớp 07H5, Khoa Hóa, Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Đà Nẵng b Lớp 07SH, Khoa Hóa, Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Đà Nẵng GVHD: TS Nguyễn Thị Thanh Xuân - TS Đặng Kim Hoàng - ThS Nguyễn Hoàng Minh - KS Nguyễn Ngọc Tuân Khoa Hóa, Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Đà Nẵng TÓM TẮT Ngày nay, sinh khối vi tảo đang là đối tương nghiên cứu phổ biến trên thế giới cho mục tiêu sản xuất nhiên liệu sinh học, trong đó lipid từ vi tảo là nguồn nguyên liệu cho mục tiêu sản xuất biodiesel. Vì vậy, các biện pháp nhằm nâng cao năng suất lipid đang được chú ý hiện nay. Trong đề tài này, chúng tôi khảo sát ảnh hưởng của các điều kiện nuôi trồng trong phòng thí nghiệm như tốc độ sục khí CO 2, nồng độ dinh dưỡng Nitơ, cường độ ánh sáng đến năng suất sinh khối và hàm lượng lipid trên vi tảo Chlorella Vulgaris. Đây là một trong các chủng vi tảo tiềm năng cho mục tiêu kết hợp xử lý nước thải, tận dụng CO 2 từ khí thải và phù hợp với điều kiện khí hậu Việt Nam. Kết quả ban đầu cho thấy việc tăng cường độ chiếu sáng và giảm nồng độ Nitơ có thể tăng hàm lượng lipid nhưng giảm năng suất sinh khối. Đồng thời, việc bổ sung CO 2 vào môi trường cho phép tăng năng suất sinh khối và lipid. Bên cạnh đó, việc thử nghiệm nuôi trồng Chlorella Vulgaris trong nước thải hầm biogas được pha loãng 1,25 lần cho thấy chủng này có khả năng sinh trưởng, cho dầu và giảm đáng kể nồng độ Nitơ và Photpho trong nước thải. ABSTRACT Currently, microalgae biomass is a common research subject all over the world for biofuels production, in which lipids from microalgae is used as a material for biodiesel production. Therefore, many measures to improve lipid productivity are being noticed at this time. In this topic, we survey the effect of growth conditions such as CO 2 aeration rate, nitrogen nutrient concentration, light intensity on the biomass yield and lipid content of microalgae Chlorella Vulgaris. This is one of the potential strain of microalgae for a combination of wastewater treatment and CO 2 utilization in flue gas. Moreover, it is suitable for climatic conditions of Vietnam. The initial results showed that increasing the light intensity and diminution nitrogen concentrations can increase lipid content but reduce biomass yield. Also, the addition of CO 2 into the medium allows for increasing biomass and lipid yield. Besides, the cultivation test Chlorella Vulgaris in biogas wastewater diluted 1,25 times concluded that this strain can produce the lipid and significantly reduce nitrogen and phosphorus concentrations in wastewater. 1. Đặt vấn đề Sự cạn kiệt của các nguồn năng lượng hóa thạch cùng với sự gia tăng những hậu quả của ô nhiễm môi trường là động lực thúc đẩy thế giới tìm ra các giải pháp hiệu quả cho vấn đề năng lượng và môi trường. Sự ra đời của biodiesel nói riêng và nhiên liệu sinh học nói chung đều bắt nguồn từ thực tiễn đó. Hiện nay, nguyên liệu sản xuất biodiesel ở Việt Nam là các nguồn sinh khối (SK) truyền thống (dầu ăn phế thải, mỡ cá basa, dầu hạt jatropha) có nhược điểm thu hoạch khó khăn, hàm 1

2 lượng dầu thấp và đặc biệt ảnh hưởng đến an ninh lương thực, chiếm nhiều diện tích đất canh tác, đất rừng và cần nhiều nước tưới [1]. Để khắc phục các nhược điểm đó, sinh khối vi tảo đã ra đời và được xem là nguồn sinh khối đầy hứa hẹn để sản xuất biodiesel. Vi tảo là các vi sinh vật đơn bào, sinh trưởng bằng quang tự dưỡng nhờ quá trình quang hợp, hoặc dị dưỡng, hoặc cả hai hình thức [1]. So với các nguồn sinh khối truyền thống, vi tảo có những ưu điểm nổi bật như: tốc độ sinh trưởng nhanh, năng suất thu sinh khối và thu dầu cao hơn các loại thực vật có dầu khác; dễ nuôi trồng, ít cạnh tranh với đất nông nghiệp và không cần nguồn nước sạch; thân thiện với môi trường. Trung bình sản xuất 1 kg sinh khối tảo thì tiêu thụ được 1,83 kg CO 2 [2]. Ngoài ra, có thể tận dụng CO 2 từ khí thải công nghiệp cùng với nước thải để nuôi trồng vi tảo [3], làm giảm đáng kể chi phí cho quá trình; nguồn sinh khối vi tảo ngoài mục đích sản xuất biodiesel còn có nhiều ứng dụng khác,... [3]. Năng suất thu sinh khối và hàm lượng dầu của vi tảo phụ thuộc nhiều vào điều kiện nuôi trồng [2]. Trong nhóm vi tảo lục, Chlorella Vulgaris là loài có tiềm năng sản xuất biodiesel vì tốc độ sinh trưởng cao, năng suất sinh khối cao và dễ nuôi trồng, đặc biệt có thể nuôi trong môi trường nước thải [4]. Hơn nữa, chúng có khả năng hấp thụ CO 2 [5], có hàm lượng dầu dao động từ 5-58% khối lượng [3]. Do vậy, với định hướng của đề tài là tận dụng nguồn khí thải CO 2 và nước thải từ hầm ủ biogas để nuôi trồng vi tảo sản xuất biodiesel, chúng tôi chọn Chlorella Vulgaris là chủng vi tảo để nghiên cứu ảnh hưởng của một số điều kiện nuôi trồng đến năng suất thu hồi dầu, đồng thời định hướng nuôi trong môi trường nước thải. 2. Vật liệu và phương pháp 2.1. Môi trường nuôi trồng Sử dụng môi trường nuôi tảo có thành phần như sau: Bảng 1: Thành phần dung dịch vi lượng Bảng 2:Thành phần môi trường nuôi trồng Composition Concentration, g/l Composition Concentration, g/l ZnSO 4.7H 2 O 22 NH 4 Cl 725 MnCl 2.4H 2 O 5,06 CaCl 2.2H 2 O 25 CoCl 2.6H 2 O 1,61 MgSO 4.7H 2 O 140 CuSO 4.5H 2 O 1,57 KH 2 PO H 3 BO 3 11,4 NaHCO FeSO 4.7H 2 O 4,99 Vi lượng 0,5 ml/l (NH 4 ) 6 Mo 7 O 24.4H 2 O 1,1 Na 2 EDTA Nguồn giống vi tảo Chủng Chlorella Vulgaris với kích thước tế bào từ 5-10 µm, là một trong các chủng vi tảo được nghiên cứu nhiều nhất cho mục tiêu sản xuất biodiesel [9]. Giống tảo thuần chủng lấy từ Viện Công nghệ Sinh học, Hà Nội. 2

3 2.3. Các phương pháp đo đạc Phương pháp đo mật độ quang OD (Optical Density) Mục đích: định tính nồng độ sinh khối trong môi trường, dựa vào độ hấp thụ quang của các sắc tố Chlorophyll trong tế bào. Các sắc tố này hấp thụ chủ yếu 2 bước sóng trong ánh sáng mặt trời tương ứng là 420 nm và 665 nm [7]. Do vậy, ta đo đạc OD ở 2 bước sóng 420 và 665 nm bằng máy Ultrospec 2000 UV/Visible Spectrophotometer Phương pháp đo nồng độ Chlorophyll a Dựa vào khả năng hấp thụ ánh sáng của các loại sắc tố ở những bước sóng nhất định để xác định hàm lượng của chúng có trong mẫu. Mẫu được ly tâm vòng/phút ở 4 0 C trong 5 phút để thu sinh khối mẫu. Phần sinh khối này được bổ sung 1 ml acetone vào ống eppendorf. Sau đó đem ly tâm vòng/phút ở 4 0 C trong 5 phút. Lấy dịch nổi và đo ở bước sóng 664 nm, 647 nm. Áp dụng công thức xác định nồng độ chlorophyll a: 2.4. Phương pháp bảo quản giống Chlorophyll a (μg/ml) = 11,93.E 664 1,93.E 647 Trong số các phương pháp đã thử nghiệm như: bảo quản trên đĩa thạch, thạch nghiêng, giữ giống bằng Glycerol, giữ giống bằng đông khô, kết quả cho thấy thời gian giữ giống bằng phương pháp bảo quản trên đĩa thạch dài hơn, đồng thời việc hoạt hóa giống dễ dàng hơn Phương pháp nhân giống Để bảo đảm đủ lượng giống nuôi trong nhiều điều kiện khác nhau, ta cần tiến hành nhân giống. Giống ban đầu được nhân cấp 1, cấp 2, hay cấp 3 tùy thuộc vào yêu cầu lượng giống cần cho mỗi lần nuôi Phương pháp nuôi trồng Tiến hành các thí nghiệm nuôi trồng vi tảo trong bình Erlen, dung tích nuôi 1 lít. Thể tích giống cho vào chiếm 10% thể tích môi trường. Giống sử dụng là giống cấp 1 được nhân trong vòng 7 ngày. Các mẫu thí nghiệm được chiếu sáng bằng ống đèn huỳnh quang 20W, chu kỳ chiếu sáng 12h sáng:12h tối, quang thông được đo bằng máy Advance Light Meter. Nhiệt độ thí nghiệm được duy trì o C. Tiến hành khảo sát sinh trưởng bằng cách đo mật độ quang cùng một thời điểm trong từng ngày nuôi trồng. Tiến hành thu hoạch sinh khối và trích ly lipid khi sinh trưởng đi vào giai đoạn suy vong (tương ứng với 2 ngày giảm trên đường cong OD) Phương pháp thu hoạch sinh khối Để thu hồi triệt để và đánh giá chính xác khối lượng sinh khối thu được, ta sử dụng phương pháp ly tâm. Mẫu được ly tâm bằng máy ly tâm Hettich ZENTRIFUGEN với tốc độ 6000 vòng/phút, trong 10 phút. Sau khi ly tâm, mẫu được sấy khô ở 50 o C trong 12h Phương pháp trích ly lipid Áp dụng phương pháp tách lipid theo phương pháp Bligh và Dyer (1959) và được cải tiến bởi Benemann và Tillett (1987). Đây là phương pháp trích ly dầu hiệu quả nhất theo 3

4 Attilio [7,2]. Mẫu sinh khối khô được bổ sung hỗn hợp CH 3 OH, CHCl 3, sau đó được siêu âm để phá vỡ màng tế bào ở tần số sóng 20 khz trong 10 phút rồi được bổ sung nước và ly tâm 6000 vòng/phút trong 10 phút để phân thành 3 lớp: lớp MeOH và nước ở trên, lớp sinh khối ở giữa, dưới cùng là lớp Chloroform và lipid hòa tan. Phần Chloroform và lipid ở dưới được chiết và chưng cất để thu lipid. Thể tích tổng dung môi bổ sung vào mẫu sinh khối được lấy theo quy tắc 100 ml dung môi trên 1 gam sinh khối. Tỷ lệ thể tích dung môi bổ sung là CH 3 OH:CHCl 3 :H 2 O = 10:10:9. 3. Kết quả và thảo luận 3.1. Ảnh hưởng của cường độ ánh sáng đến sinh trưởng và tích lũy lipid Chu kỳ sáng tối thích hợp nhất cho sự sinh trưởng và tích lũy lipid đối với Chlorella Vulgaris là 16h sáng : 8h tối [8]. Cường độ ánh sáng là một trong những yếu tố ảnh hưởng quan trọng nhất đến sự quang hợp của tảo. Khảo sát trên 3 mẫu với cường độ chiếu sáng lần lượt là 4000, 7000 và lux. Các mẫu thí nghiệm đều không sục không khí và CO 2. Qua đồ thị 1 và bảng 3, ta nhận thấy ở cường độ sáng 4000 lux, tảo phát triển tốt nhất, lượng sinh khối thu được cũng nhiều nhất, và giá trị này giảm dần khi tăng cường độ chiếu sáng. Bảng 3: Kết quả sinh khối và lipid dưới ảnh hưởng của ánh sáng Mẫu Khối lượng SK khô (g/l) Khối lượng lipid (g/l) 4000 lux 0,293 0, lux 0,265 0, lux 0,083 0,051 Kết quả trên cho thấy hiện tượng photoinhibition xảy ra dưới cường độ ánh sáng quá cao. Tuy nhiên, sự tích lũy lipid trong tế bào tăng theo cường độ chiếu sáng. Năng suất thu lipid đạt cao nhất tại 7000 lux. Kết quả này cũng phù hợp theo quy luật như kết quả nghiên cứu của G. Gacheva [10] Xét sự ảnh hưởng của CO 2 đến sinh trưởng và tích lũy lipid Đối với vi tảo, CO 2 đóng vai trò quan trọng đặc biệt trong quá trình quang hợp, nó có thể được cung cấp bởi nguồn CO 2 trong khí quyển, từ khói thải của nhà máy, trong các muối carbonate hòa tan như NaHCO 3 [11]. Đầu tiên, ta khảo sát vai trò của CO 2 đối với sinh trưởng bằng cách tiến hành thực nghiệm trên 3 mẫu dưới ánh sáng 4000 lux. Kết quả ở đồ thị 1 cho thấy sự có mặt của CO 2 trong môi trường làm tăng tốc độ sinh trưởng cũng như năng suất thu sinh khối và lipid. 4

5 Để khảo sát chi tiết ảnh hưởng của tốc độ sục khí CO 2, ta tiến hành 3 thí nghiệm dưới ánh sáng 7000 lux, tốc độ sục không khí là 650 ml/phút. Các mẫu khác nhau về tốc độ sục khí CO 2 : 20, 40, 60 ml/phút. Kết quả cho thấy chu kì sống của tảo là 17 ngày. Mật độ sinh khối lớn nhất vào ngày thứ 14, ứng với giá trị cực đại của pha cân bằng. Bảng 4: Sinh khối và lipid của tảo dưới ảnh hưởng của tốc độ sục khí CO 2 Mẫu Điều kiện SK khô (g/l) Lipid (g/l) % lipid/sk khô 1 20 ml CO 2 /phút 1,3862 0, , ml CO 2 /phút 1,1344 0, , ml CO 2 /phút 1,0964 0, ,549 Kết quả cho thấy sinh khối thu được và hàm lượng lipid đều giảm dần khi tốc độ sục CO 2 tăng từ 20ml/phút đến 60ml/phút. Điều này cũng cho thấy CO 2 cũng có ảnh hưởng ức chế đến sinh trưởng ở nồng độ quá lớn. Kết quả phân tích thành phần của mẫu lipid thu được từ mẫu sục CO 2 bằng HPLC ở hình 1 cho thấy các peak triglyceride xuất hiện ở khoảng thời gian lưu 10,42 phút và thành phần của triglyxeride trong hỗn hợp khá cao. Hình 1: Kết quả phân tích thành phần lipid tại Công ty Danapha Đà Nẵng Đồng thời, kết quả phân tích thành phần trigliceride bằng GC-MS theo hình 2 cho thấy có 2 peak đặc trưng của metylester của axit béo C16:0 (31,53) và axit oleic C18:1 (35,47). Đây là 2 loại axit béo rất phù hợp để sản xuất biodiesel vì đảm bảo được tiêu chuẩn điểm chảy và độ ổn định oxy hóa của sản phẩm, cho thấy lipid trích ly từ vi tảo Chlorella Vulgaris rất có triển vọng cho mục tiêu sản xuất biodiesel. 5

6 Hình 2: Kết quả phân tích thành phần triglyxeride bằng GC-MS ở Cục Hải quan TP Đà Nẵng 3.3. Ảnh hưởng của nồng độ Nitơ đến sinh trưởng và tích lũy lipid Việc tìm ra nồng độ Nitơ tối ưu có ý nghĩa quan trọng trong quá trình sản xuất biodiesel từ vi tảo [6]. Thực hiện 5 mẫu có nồng độ NH 4 Cl khác nhau; cường độ ánh sáng 7000 lux. Bổ sung CO 2 đối với tất cả các mẫu vào mỗi buổi sáng, tốc độ sục 30 ml/phút trong 1 phút. Bảng 5: Sinh khối và lipid của tảo dưới ảnh hưởng của nồng độ NH 4 Cl Mẫu (mg NH 4 Cl/l) SK khô (g/l) Lipid (mg/l) % lipid/sk khô 475 0, ,31% 600 0, ,16% 725 0, ,02% 850 0, ,63% 975 0, ,31% Kết quả cho thấy không chỉ sự thiếu hụt Nitơ mà còn sự dư thừa quá nhiều Nitơ (dạng NH 4 Cl) cũng ức chế sinh trưởng. Điều này phù hợp với kết quả nghiên cứu về sự ức chế của ion amoni trong môi trường mang tính kiềm (ở khoảng ph lớn hơn 8) [12]. Do vậy, khi nuôi trồng Chlorella Vulgaris trong nước thải cũng như các môi trường có tính bazơ, cần lưu ý đến vấn đề này. Bên cạnh đó, kết quả cho thấy sự thiếu hụt Nitơ trong môi trường làm tăng tích lũy lipid trong tế bào Thử nghiệm nuôi trong điều kiện nước thải Nước thải sử dụng nuôi trồng được lấy từ hầm ủ biogas ở nông trại chăn nuôi Hòa Phú. Sự pha loãng nước thải cho phép giảm độ đục nhưng làm giảm nồng độ chất dinh dưỡng trong 6

7 môi trường. Tiến hành 5 mẫu nước thải với mức độ pha loãng bằng nước cất từ 1/5 (1 thể tích nước thải pha thành 5 thể tích) đến 5/5 (không pha loãng). Bảng 6: Kết quả sinh khối và lipid trong các mẫu nước thải pha loãng Mẫu Lượng SK (g/l) Lipid (g/l) %lipid/sk khô 1/5 1,263 0,111 8,77 2/5 0,743 0,061 8,15 3/5 0,357 0,029 8,21 4/5 0,705 0,063 8,99 5/5 1,265 0,016 1,26 Đồ thị 4: Sinh trưởng của vi tảo trong nước thải pha loãng Nhận thấy rằng trong mẫu nước thải không pha loãng, tảo sinh trưởng rất chậm, thời gian nuôi trồng lớn, đồng thời lượng lipid thu được rất thấp. Trong các mẫu còn lại, mẫu có khả năng kết hợp xử lý nước thải (với yêu cầu mức độ pha loãng không quá lớn) và sản xuất biodiesel là mẫu 4/5 (4 phần nước thải + 1 phần nước cất). Đồng thời, kết quả phân tích nước thải của mẫu 4/5 cho thấy vi tảo có khả năng hấp thụ một lượng lớn N, P. Bảng 7: Kết quả phân tích mẫu nước thải được pha loãng 1,25 lần trước và sau 14 ngày nuôi Chlorella Vulgaris, đo tại Trung tâm Nghiên cứu Bảo vệ môi trường, ĐH Đà Nẵng Thông số phân tích Phương pháp Mẫu 4/5 (trước khi nuôi) Kết quả Mẫu 4/5 (sau khi nuôi) ph TCVN ,6 8,2 Nitơ tổng TCVN ,7 mg/l 3,5 mg/l Photpho tổng TCVN ,39 mg/l 31,05 mg/l 4. Kết luận và định hướng đề tài Sự thay đổi các điều kiện nuôi trồng như cường độ chiếu sáng, tốc độ sục khí CO 2, và nồng độ N (NH 4 + ) ảnh hưởng rõ rệt đến kết quả thu sinh khối và lipid. Kết quả ban đầu cho thấy các điều kiện nuôi trồng: ánh sáng 7000 lux, 600 mg NH 4 Cl/lít và tốc độ sục khí 20 ml CO 2 /phút kết hợp với sục 650 ml không khí/phút cho kết quả khả quan. Chất lượng của lipid thu được 7

8 khá phù hợp cho mục tiêu sản xuất biodiesel. Ngoài ra, kết quả thử nghiệm nuôi trồng trong nước thải hầm biogas cho thấy Chlorella Vulgaris có thể sinh trưởng tốt, đồng thời có khả năng xử lý nước thải và cho lipid nhằm mục tiêu sản xuất biodiesel. Định hướng của đề tài trong thời gian tới là tối ưu các điều kiện nuôi trồng nhằm tối đa năng suất thu lipid, xây dựng mô hình nuôi tảo bằng hệ thống ống nối tiếp và tiến hành nuôi bằng môi trường nước thải. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Liam Brennan, Philip Owende (2009), Biofuels from microalgae - A review of technologies for production, processing, and extractions of biofuels and co-products, Renewable and Sustainable Energy Reviews, ELSEVIER, RSER-805. [2] Attilio Converti (2009), Effect of temperature and nitrogen concentration on the growth and lipid content of Nannochloropsis oculata and Chlorella vulgaris for biodiesel production, Chemical Engineering and Processing: Process Intensification,ELSEVIER, [3] - Teresa M. Mata, Microalgae for biodiesel production and other applications: A review, Renewable and Sustainable Energy Reviews,ELSEVIER, RSER-757. [4] Zhi-Yuan Liu, Guang-Ce Wang, Bai-Cheng Zhou (2008), Effect of iron on growth and lipid accumulation in Chlorella vulgaris, Bioresource Technology,ELSEVIER, [5] Mijeong Lee Jeong, James M. Gillis (2003) Carbon Dioxide Mitigation by Microalgal Photosynthesis, Bulletin of the Korean Chemical Society, Vol 24, No 12, page [6] - Subhasha Nigam (2011), Effect of Nitrogen on Growth and Lipid Content of Chlorella pyrenoidosa, American Journal of Biochemistry and Biotechnology, vol 7, N o [7] - Orell Olivo (2007), Thèse de Doctorat: Conception et etude d un photobioreacteur pour la production en continu de microalgues en ecloseries aquacoles, École polytechnique de l Université de Nante, page 110. [8] - D.Sasi and G.A.Hill (2009), Effect of light intensity on growth of Chlorella Vulgaris in a novel Circulating loop photobioreactor, Department of Chemical Engineering, University of Saskatchewan, Canada, page 2. [9] - [10] - G.Gacheva (2008), The resistance of a new strain Chlorella sp R-06/2 isolated from an extreme habitat to environnemental stress factors, General and Applied Plant Physiology, Special Issue, vol 34, 3-4, page [11] - Devgoswami and al (2011), Studies on the growth behavior of Chlorella, Haematococus and Scenedesmus sp. in culture media with different concentrations of sodium bicarbonate ang carbon dioxide gas, African Journal of Biotechnology, vol 10, N o 61, [12] - Y.Azov and Joel C. Goldman (1982), Free Ammonia Inhibition of Algal Photosynthesis in Intensive Cultures, Applied and Environmental Microbiology, vol 43, N o 4, page